CN109417100A - 自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器 - Google Patents

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自旋流磁化反转元件。该自旋流磁化反转元件具备：第1铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其沿着相对于第1铁磁性金属层的法线方向即第1方向交叉的第2方向延伸，且与第1铁磁性金属层接合；自旋轨道转矩配线具有与第1铁磁性金属层接合的自旋传导层，与自旋传导层接合且与第1铁磁性金属层的相反侧的面接合的自旋生成层层叠的结构。

Description

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器
技术领域
本发明涉及自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器。
本申请基于2017年3月29日申请于日本的专利申请2017-064871号主张优先权，且将其内容在此引用。
背景技术
已知由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨大磁阻(GMR)元件及使用了绝缘层(隧道势垒层，势垒层)作为非磁性层的隧道磁阻(TMR)元件。一般而言，TMR元件的元件电阻比GMR元件的元件电阻高，但TMR元件的磁阻(MR)比大于GMR元件的MR比。因此，作为磁传感器、高频部件、磁头及非易失性磁阻随机存取存储器(MRAM)用的元件，TMR元件备受关注。
MRAM利用夹持绝缘层的两个铁磁性层的彼此的磁化方向变化时而TMR元件的元件电阻变化的特性，来读写数据。作为MRAM的写入方式，已知有利用电流产生的磁场进行写入(磁化反转)的方式及利用沿磁阻元件的层叠方向流通电流而产生的自旋转移转矩(STT)进行写入(磁化反转)的方式。使用了STT的TMR元件的磁化反转从能量效率的视点考虑时是有效率的，但用于进行磁化反转的反转电流密度较高。从TMR元件的长寿命的观点来看，希望该反转电流密度较低。这点对于GMR元件也一样。
因此，近年来，作为通过与STT不同的机制降低反转电流的方法，利用了通过自旋霍尔效应生成的纯自旋流的磁化反转备受关注(例如，非专利文献1)。通过自旋霍尔效应产生的纯自旋流诱发自旋轨道转矩(SOT)，并通过SOT引起磁化反转。纯自旋流通过向上自旋的电子和向下自旋电子以相同数量相互反向地流通而产生，电荷的流通相抵，因此，流通于磁阻效应元件的电流为零，期待反转电流密度较小的磁阻效应元件的实现。
非专利文献1报道了SOT方式的反转电流密度与STT方式的反转电流密度大致相同。然而，目前在SOT方式中报告的反转电流密度不足以实现高集成度和低能耗。为了进一步降低反向电流密度，必须使用产生高自旋霍尔效应的材料。因此，需要一种结构，其除了作为以重金属为首的自旋生成层产生的体(bulk)效应而产生的自旋霍尔效应之外，在不同材料之间的界面处产生的Rashba效应也能有效获得。
此外，作为用于SOT方式的磁阻效应元件的自旋轨道转矩配线(诱发SOT使纯自旋流产生的配线)的材料，可以举出以非专利文献1中所用的Ta为首的重金属材料。这样的重金属材料具有高电阻率，因此形成薄膜或细线时，功耗高也成为问题。
此外，在目前使用的自旋轨道转矩配线材料中，与自旋轨道转矩配线接合的铁磁性金属层的晶格匹配难以实现。
现有技术文献
非专利文献1
S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
J.Sinova,S.O.Valenzuela,J.Wunderlich,C.H.Back,T.Jungwirth,Reviews ofModern Physic,87,1213(2015)
发明内容
发明所要解决的课题
本发明正是鉴于上述问题而完成的。本发明目的在于提供一种能够有效地获得自旋霍尔效应和界面Rashba效应，并且能够降低功耗的低电阻自旋轨道转矩配线。
用于解决课题的方案
在被认为是导致SOT产生的原因的各种原理中，本发明人特别注意在不同材料之间的界面处产生的界面Rashba效应和重金属材料中的大自旋霍尔效应，构思了组合有这两个效应并且采用低阻抗的材料的结构。
因此，为了解决上述课题，本发明提供以下方案。
(1)本发明的一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件具备：第1铁磁性金属层，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线，其沿着相对于第1铁磁性金属层的法线方向即第1方向交叉的第2方向延伸，且与第1铁磁性金属层接合；其中，自旋轨道转矩配线具有与第1铁磁性金属层接合的自旋传导层，和与自旋传导层接合且与第1铁磁性金属层相反侧的面接合的自旋生成层层叠而成的结构。
(2)在上述(1)所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层的膜厚度t1与自旋生成层的膜厚度t2的比率t1/t2可以设计为成为自旋传导层的电阻率ρ1与自旋生成层的电阻率ρ2的比率ρ1/ρ2以下。
(3)在上述(1)或(2)所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层可以由包含Al、Si、Cu、Ag、GaAs、Ge中的至少任一种元素的材料构成。
(4)在上述(1)或(2)所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层可以是具有空间群Pm-3m的对称性的NiAl、RuAl、RhAl、IrAl、TiNi，或者具有空间群Fm-3m的对称性的AlN、TaN、YBi、TiC、TiN的任一种的立方晶结构。
(5)在上述(1)～(4)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋生成层可以由包含Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi中的任意元素的材料构成。
(6)在上述(1)～(5)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层的厚度可以为自旋传导层具有的自旋扩散长度以下的厚度。
(7)在上述(1)～(6)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋传导层和第1铁磁性金属层的晶格失配度可以在5％以内。
(8)在上述(1)～(7)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，自旋轨道转矩配线的厚度可以为20nm以下。
(9)在上述(1)～(8)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，在自旋轨道转矩配线的两端具有低电阻电极，低电阻电极和第1铁磁性金属层的相对的侧面之间的距离可以为自旋传导层的自旋扩散长度以下。
(10)本发明的一个实施方式涉及的磁阻效应元件具备上述(1)～(9)中任一项所述的自旋流磁化反转元件、磁化方向被固定的第2铁磁性金属层、被第1铁磁性金属层和第2铁磁性金属层夹持的非磁性体层。
(11)本发明的一个实施方式涉及的磁存储器具备多个上述(10)所述的磁阻效应元件。
发明效果
根据本发明的自旋流磁化反转元件，能够有效地获取界面Rashba效应和自旋霍尔效应两种效果，并且能够降低功耗。
附图说明
图1A是用于说明本发明的一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的平面示意图。
图1B是用于说明本发明的一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的截面示意图。
图2是用于说明自旋霍尔效应的示意图。
图3A是用于说明本发明的另一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的平面示意图。
图3B是用于说明本发明的另一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的截面示意图。
图4是示意性地示出本发明的一个实施方式涉及的磁阻效应元件的立体图。
符号说明
1......第1铁磁性金属层；2......自旋轨道转矩配线；3......自旋传导层；4......自旋生成层；5......低电阻电极；10......自旋流磁化反转元件；100......磁阻效应元件；101......第1铁磁性金属层；102......非磁性层；103......第2铁磁性金属层；104......覆盖层；105......磁阻效应元件部；110......基板；120......自旋轨道转矩配线；130......配线；140......第1电源；150......第2电源
具体实施方式
以下，适当参照附图详细地说明本发明。以下的说明中使用的附图为了容易理解本发明的特征，为了方便有时将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下的说明中示例的材料、尺寸等为一例，本发明不限定这些，能够在实现本发明的效果的范围内适当变更并实施。本发明的元件中，也可以在实现本发明的效果的范围内具备其它层。
(自旋流磁化反转元件)
图1A和1B是本发明的一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的一例的示意图。图1A是平面图，图1B是沿着线X-X截取的截面图，线X-X是图1A的自旋传导层3的宽度方向上的中心线。
图1A和图1B所示的自旋流磁化反转元件10具备：第1铁磁性金属层1，其磁化方向变化；自旋轨道转矩配线2，其沿着相对于第1铁磁性金属层1的法线方向即第1方向交叉的第2方向延伸，且与第1铁磁性金属层1接合；其中，自旋轨道转矩配线2具有与第1铁磁性金属层1接合的自旋传导层3，和与自旋传导层3接合且与第1铁磁性金属层的相反侧的面接合的自旋生成层4层叠的结构。
以下，将第1铁磁性金属层1的法线方向或第1铁磁性金属层1和自旋轨道转矩配线2层叠的方向(第1方向)设为z方向，将与z方向垂直且与自旋轨道转矩配线2平行的方向(第2方向)设为x方向，将与x方向及z方向正交的方向(第三方向)设为y方向。
以下包含图1A和图1B，作为自旋轨道转矩配线2沿着相对于第1铁磁性金属层1的法线方向即第1方向交叉的方向延伸的结构的例子，对沿着相对于第1方向正交的方向延伸的结构的情况进行说明。
本发明的自旋流磁化反转元件10，即通过纯自旋流的SOT效应进行铁磁性金属层的磁化反转的元件，可以用于仅通过纯自旋流的SOT进行铁磁性金属层的磁化反转的磁阻效应元件。另一方面，本发明的自旋流磁化反转元件也可以用作利用传统STT的磁阻效应元件中的铁磁性金属层的磁化反转的辅助单元或主要单元。
<第1铁磁性金属层>
第1铁磁性金属层1包含公知的铁磁性材料以改变磁化方向。在下文的磁阻效应元件的应用中的第1铁磁性金属层101的说明中，对第1铁磁性金属层1进行具体说明。
<自旋轨道转矩配线>
自旋轨道转矩配线2构成为电流流通时产生纯自旋流，并诱发自旋轨道转矩。本发明的自旋轨道转矩线2具有自旋传导层3和自旋生成层4在第1方向上层叠的结构。
在自旋传导层3和自旋生成层4之间的界面处，由于界面Rashba效应发生自旋累积(向上自旋或向下自旋中其中一种较多地存在的状态)。自旋累积产生纯自旋流。
虽然界面Rashba效应的详细机理尚不清楚，但可以认为如下。在不同材料之间的界面处，空间反转对称性被破坏，并且在法线方向上存在电势梯度。当电流沿着在法线方向上具有电势梯度的界面流通时，即，当电子在二维平面中移动时，有效磁场在垂直于电子运动方向的方向且面内方向上作用于自旋，并且自旋方向统一到有效磁场的方向上。因此，该自旋累积使向面外扩散的纯自旋流产生。
本发明中，除了界面Rashba效应之外，在自旋轨道转矩线2中，特别是在自旋生成层4中发生的自旋霍尔效应也用于使纯自旋流产生。
自旋霍尔效应是在向材料流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，按照与电流的方向正交的方向诱发纯自旋流的现象。
图2是用于说明使用自旋生成层4的自旋霍尔效应的示意图。图2是沿图1B中所示的自旋生成层4的x方向截取的截面图。基于图2对通过自旋霍尔效应产生纯自旋流的机理进行说明。应注意，自旋霍尔效应不仅可以在自旋生成层4中产生，而且可以在自旋传导层3中产生。在这种情况下，通过选择材料和结构，在自旋生成层4中诱发的自旋霍尔效应大于在自旋传导层3中诱发的自旋霍尔效应。
如图2所示，当向自旋生成层4的延伸方向流通电流I时，向纸面跟前侧取向的第1自旋S1和向纸面进深侧取向的第2自旋S2分别向与电流正交的方向弯曲。通常的霍尔效应和自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)弯曲运动(移动)方向的点上相同，但通常的霍尔效应中，在磁场中运动的带电粒子受到洛伦兹力而弯曲运动方向，与之相对，自旋霍尔效应中，由于不存在磁场，电子仅进行移动(仅电流流通)而弯曲移动方向，在该点上显著不同。
非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，第1自旋S1的电子数与第2自旋S2的电子数相等，因此，图中朝向上方向的第1自旋S1的电子数与朝向下方向的第2自旋S2的电子数相等。因此，作为电荷的净流量的电流为零。不伴随该电流的自旋流特别称为纯自旋流。
在铁磁性体中流通电流的情况下，第1自旋S1与第2自旋S2相互向相反方向弯曲的点相同。另一方面，铁磁性体中，第1自旋S1和第2自旋S2的任一者处于多的状态，作为结果，产生电荷的净流量的(产生电压)点不同。因此，作为自旋生成层4的材料，不仅由铁磁性体构成的材料，特别可以举出非磁性重金属材料。
在此，当将第1自旋S1的电子的流通表示为J↑，将第2自旋S2的电子的流通表示为J↓，将自旋流表示为JS时，以JS＝J↑-J↓定义。图2中，作为纯自旋流，JS向图中的上方向流通。在此，JS为极化率100％的电子的流通。
在图1B中，使作为铁磁性体的第1铁磁性金属层1与自旋轨道转矩配线2的上表面接触时，由于界面Rashba效应在界面处产生的纯自旋流和自旋霍尔效应产生的纯自旋流在自旋轨道转矩线2中扩散流入，最终到达第1铁磁性金属层1，并且在第1铁磁性金属层1中扩散流入。即，自旋注入于第1铁磁性金属层1中。
在本发明的自旋流磁化反转元件10中，通过设为这种使电流流通自旋轨道转矩线2以产生纯自旋流，该纯自旋流扩散到与自旋轨道转矩线2相接的第1铁磁性金属层1的结构，由于纯自旋流引起的自旋轨道转矩(SOT)效应，第1铁磁性金属层1出现磁化反转。
(自旋传导层)
在一个实施方式中，自旋传导层3由为了降低电阻而电阻率低、且为了将纯自旋流传导至第1铁磁性金属层1而自旋扩散长度(自旋累积消失的距离)长的材料构成。例如，作为构成自旋传导层的材料，可以举出包含Al、Si、Cu、Ag、GaAs、Ge中的至少一种元素的材料。自旋传导层3的材料可以采用单质，也可以作为合金，化合物等组合使用。
自旋传导层3的厚度优选设定为成为自旋传导层3的自旋扩散长度以下的长度。由此，可以将自旋流传送到第1铁磁性金属层1而不会丢失自旋信息。自旋扩散长度特别取决于使用的材料。例如，已知单质的Cu或Ag的自旋扩散长度在室温下可以达到100nm以上。参照非专利文献2中，已报告单质的Cu晶体的自旋扩散长度达到在室温下为500μm，单质的Ag晶体的自旋扩散长度在室温下也达到700μm。因此，可以将自旋传导层3的厚度设定为充分在自旋扩散长度以下。另外，如非专利文献2中记载所示，应注意，各种材料的自旋扩散长度对于本领域技术人员而言是已知的或者是推定的，对于本领域技术人员而言，基于本发明的公开，在采用各种材料的情况下，能够将自旋传导层的厚度设定为自旋扩散长度以下。
在另一个实施方式中，取而代之，自旋传导层3由具有空间群Pm-3m的对称性的NiAl、RuAl、RhAl、IrAl、TiNi，或者具有空间群Fm-3m的对称性的AlN、TaN、YBi、TiC、TiN的任一种的立方晶结构的材料构成。在上述晶体结构中，即使晶体的对称性良好，由于两种材料之间的差异而导致反转对称性被破坏，并且空间反转对称性低，因此即使在自旋传导层3中，也产生大的自旋轨道相互作用，即，产生大的自旋霍尔效应。此外，由于具有上述晶体结构的材料与接合于自旋传导层3的第1铁磁性金属层1(例如，Fe等)的晶格失配度为5％以下，因此可以保持高磁阻比。在此，晶格失配度是晶体界面处的两个晶体的整合状态的指标。晶格失配度越大，彼此的晶体越不对齐，并且在晶体界面处晶格彼此扭曲。通常，据说如果晶格失配度为5％以下，即使其具有晶体界面，也会产生与下层的晶体结构匹配的外延生长。
由于不存在晶格失配，磁阻比变高，因此作为更优选的晶格失配度可以举出0％以上5％以下，进一步优选0％以上3％以下，更进一步优选0％以上2％以下。
(自旋生成层)
自旋生成层4由大的自旋霍尔效应而产生大的自旋轨道转矩(SOT)的材料制成。作为这种材料，可以举出非磁性重金属，例如，包含Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au和Bi中至少一种原子的材料，自旋生成层4的材料，可以作为单质使用，或者可以作为合金，化合物等组合使用。
关于自旋生成层4，通过使其与接合于该自旋生成层4的自旋传导层3的晶格失配度为5％以下，可以使另一层在一层上外延生长。
本发明的自旋轨道转矩配线2具有自旋传导层3和自旋生成层4的双层结构，并且自旋传导层3的电阻率小，从而可以降低功耗。然而，为了获得更大的SOT，期望将更多电流流到自旋生成层4。通过适当地设计自旋传导层3和自旋生成层4的膜厚度，可以实现向自旋生成层4流通更多电流。在下文中，将说明该膜厚度设计。
如图1B所示，自旋传导层3具有宽度W、长度L、膜厚度t1，并且具有电阻率ρ1。另一方面，自旋生成层4具有与自旋传导层3相同的宽度W和相同的长度L，同时具有膜厚度t2和电阻率ρ2。然后表示为自旋传导层3的电阻R1＝ρ1×L/(W×t1)(式1)，并且自旋生成层4的电阻R2＝ρ2×L/(W×t2)。
因此，在具有自旋传导层3和自旋生成层4的双层结构的自旋轨道转矩配线2的延伸方向的两端施加电压V时，可以认为自旋传导层3和自旋生成层4构成并联电路。因此，如果流过自旋传导层3的电流是I1并且流过自旋生成层4的电流是I2，则从并联电路的欧姆定律获得I1R1＝I2R2(＝V)(式3)的关系。因此，从式1至式3可以得到以下式4。
I1/I2＝R2/R1＝(ρ2/ρ1)×(t1/t2) (式4)
在此，在本发明中，为了允许更多的电流流过自旋生成层4，必须满足I2≥I1的条件(式5)。最后，从式4和式5可以得到以下式6。
(t1/t2)≦(ρ1/ρ2) (式6)
即，在本发明中，自旋传导层3的膜厚度t1与自旋生成层4的膜厚度t2的比率t1/t2被设定为自旋传导层3的电阻率ρ1与自旋生成层4的电阻率ρ2的比率的ρ1/ρ2以下。由此，可以向自旋生成层4流通更多的电流，并且可以获得更大的SOT。
作为一个示例，自旋传导层3由铜(Cu)制成(铜的电阻率在室温(20℃)下为1.68×10-8Ωm)，自旋生成层4由钽(Ta)(钽的电阻率在室温(20℃)下为1.31×10-7Ωm)制成时，膜厚的比率设计为t1/t2≤约0.13。
更优选设定自旋传导层3的厚度和自旋形成层4的厚度，使得作为这两层的层叠体的自旋轨道转矩配线2的厚度为20nm以下。当自旋轨道转矩线2的厚度变得太厚超过20nm时，自旋轨道转矩线2和层叠在自旋轨道转矩线2上的第1铁磁性金属层1之间的界面粗糙度变大，从而有可能磁阻效应变得不稳定。
自旋轨道转矩配线2的厚度的下限值优选为1nm，自旋轨道转矩配线2的厚度更优选为2nm～10nm。
图3A和3B是示出本发明的另一个实施方式涉及的自旋流磁化反转元件的示例的示意图。图3A是平面图，图3B是沿着线X-X截取的截面图，线X-X是图3A的自旋传导层3的宽度方向上的中心线。
在图3A和图3B所示的本发明的实施方式中，自旋流磁化反转元件10还具有低电阻电极5。其他构成与图1A和图1B中所示的本发明实施方式的构成相同，因此省略说明。
尽管未在图3B中示出，但是如图1B中那样，将接合于第1铁磁性金属层1的自旋传导层3与接合于自旋传导层3并且接合于与第1铁磁性金属层1相对的面的自旋生成层4层叠的结构作为自旋轨道转矩配线2。
低电阻电极5分别连接到自旋轨道转矩线2的两端。作为低电阻电极5，可以使用具有高导电性的材料，例如铝、银、铜、金等。低电阻电极5与第1强磁性金属层1的相对的侧面之间的距离D被设计为自旋传导层3的自旋扩散长度以下，优选设计为与自旋扩散长度相等。在此，低电阻电极5与第1强磁性金属层1的相对的侧面之间的距离D，如图3B所示，是包括低电阻电极5的侧面的平面与相对的包括第1铁磁性金属层1的侧面的平面之间的垂直距离。由此，存在于第1强磁性金属层1的下方的部分以外的自旋生成层4的部分内由自旋霍尔效应产生的纯自旋流、以及存在于第1强磁性金属层1的下方的部分以外的自旋传导层3和自旋生成层4的界面处由界面Rashba效应产生的纯自旋流能够经由自旋传导层3最大限度到达第1强磁性金属层1。
可以进一步具备与接合于自旋轨道转矩配线2的第1铁磁性金属层1的面的相反侧的侧面接合的绝缘层。利用这种构成，当应用于磁阻效应元件或其他用途时，可以防止流过自旋轨道转矩配线的电流从与接合于第1铁磁性金属层的面相对的侧面泄漏，进一步提高电流集中效果。
在上述实施方式中，已经说明了自旋轨道转矩配线直接连接到第1铁磁性金属层的情况，但是如下文所述，第1铁磁性金属层和自旋轨道转矩配线之间，可以插入覆盖层等其他层。关于覆盖层的具体说明，在下文所述的磁阻效应元件的应用中的覆盖层104进行说明。
以下，对使用了上述的自旋流磁化反转元件的磁阻效应元件进行说明，但作为上述的自旋流磁化反转元件的用途，不限于磁阻效应元件。作为其它用途，例如，也能够在将上述的自旋流磁化反转元件配设为各像素，利用磁光效应空间性地调制入射光的空间光调制器中使用，在磁传感器中，为了避免磁体的矫顽力引起的磁滞的效果，也可以将施加于磁体的易磁化轴磁场置换成SOT。
(磁阻效应元件)
本发明的一个实施方式涉及的磁阻效应元件具备：本发明的自旋流磁化反转元件、磁化方向固定的第2铁磁性金属层、第1铁磁性金属和第2铁磁性金属层夹持的非磁性层。
图4是示意性地示出作为本发明的自旋流磁化反转元件的应用例的磁阻效应元件的立体图，并且该磁阻效应元件也是本发明的一个实施方式涉及的磁阻效应元件。在图4中，省略图示本发明的自旋流磁化反转元件的特征部分。
图4所示的磁阻效应元件100具备：本发明的自旋流磁化反转元件(第1铁磁性金属层101和自旋轨道转矩线120)、磁化方向固定的第2铁磁性金属层103、第1铁磁性金属层101和第2铁磁性金属层103夹持的非磁性层102。第1铁磁性金属层101具有与第1铁磁性金属层1相同的结构，并且自旋轨道转矩配线120具有与自旋轨道转矩配线2相同的构造。另外，也可以说图4所示的磁阻效应元件100具有磁阻效应元件部105和自旋轨道转矩配线120。
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件能够设为具备自旋轨道转矩配线120，由此，可以设为仅通过纯自旋流的SOT进行磁阻效应元件的磁化反转的结构(以下，有时称为“仅SOT”结构)，也能够设为在利用现有的STT的磁阻效应元件中并用纯自旋流的SOT的结构。
以下包括图4，作为自旋轨道转矩配线在与磁阻效应元件部的层叠方向交叉的方向上延伸的结构的例子，对在垂直的方向上延伸的结构的情况进行说明。
在图4中，还示出了用于电流在磁阻效应元件100的层叠方向上流通的配线130、形成该配线130的基板110。此外，在第1铁磁性金属层101和自旋轨道转矩配线120之间具备覆盖层104。
＜磁阻效应元件部>
磁阻效应元件部105具有：磁化方向被固定的第2铁磁性金属层103、可改变磁化方向的第1铁磁性金属层101、被第2铁磁性金属层103及第1铁磁性金属层101夹持的非磁性层102。
第2铁磁性金属层103的磁化固定为一方向，第1铁磁性金属层101的磁化方向相对性地变化，由此，作为磁阻效应元件部105发挥作用。在应用于矫顽力差型(准自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM的情况下，第2铁磁性金属层103的矫顽力比第1铁磁性金属层101的矫顽力大，另外，在应用于交换偏置型(自旋阀；spin valve型)的MRAM的情况下，第2铁磁性金属层103中，通过与反铁磁性层的交换耦合，磁化方向被固定。
在非磁性层102由绝缘体构成的情况下，磁阻效应元件部105是隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层102由金属构成的情况下，磁阻效应元件部105是巨大磁阻(GMR：Giant Magnetoresistance)元件。
作为本发明具备的磁阻效应元件部105，能够使用公知的磁阻效应元件部的结构。例如，各层也可以由多个层构成，也可以具备用于固定第2铁磁性金属层103的磁化方向的反铁磁性层等的其它层。
第2铁磁性金属层103称为固定层、钉扎层、参照层等，第1铁磁性金属层101称为自由层、free层、存储层等。
第2铁磁性金属层103及第1铁磁性金属层101也可以是磁化方向为与层平行的面内方向的面内磁化膜，也可以是磁化方向为相对于层垂直的方向的垂直磁化膜。
第2铁磁性金属层103的材料中能够使用公知的材料。例如能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属及含有这些金属1种以上且呈现铁磁性的合金。另外，也能够使用含有这些金属和B、C及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，可举出Co-Fe及Co-Fe-B。
另外，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等的霍伊斯勒合金。霍伊斯勒合金包含具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X是周期表上的Co、Fe、Ni或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y可以采用Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属即X的元素种类，Z是III族～V族的典型元素。例如，可举出Co2FeSi、Co2MnSi及Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
另外，为了进一步增大第2铁磁性金属层103的相对于第1铁磁性金属层101的矫顽力，作为与非磁性层102接触的一面相反的一侧的面上与第2铁磁性金属层103接触的层(钉扎层)，也可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。另外，为了使第2铁磁性金属层103的漏磁场不影响第1铁磁性金属层101，也可以设为合成铁磁性耦合的结构。
再者，在将第2铁磁性金属层103的磁化方向相对于层叠面设为垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体而言，第2铁磁性金属层103能够设为[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)。
作为第1铁磁性金属层101的材料，能够应用铁磁性材料，特别是软磁性材料。例如，能够使用：选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni的金属；含有一种以上这些金属的合金；含有这些金属和B、C及N的至少1种以上的元素的合金等。具体而言，可举出Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
在将第1铁磁性金属层101的磁化方向设为相对于层叠面垂直的情况下，优选将第1铁磁性金属层的厚度设为2.5nm以下。这是因为能够在第1铁磁性金属层101与非磁性层102的界面上，对第1铁磁性金属层101施加垂直磁各向异性。另外，垂直磁各向异性通过增厚第1铁磁性金属层101的膜厚，其效果衰减，因此，优选第1铁磁性金属层101的膜厚较薄。
对于非磁性层102，可以使用公知材料。例如，当非磁性层102由绝缘体构成时(即，当它是隧道势垒层时)，可以使用Al2O3、SiO2、Mg以及MgAl2O4等作为材料。除了这些材料之外，还可以使用其中一部分Al、Si、Mg被Zn、Be等取代的材料。其中，由于MgO和MgAl2O4是能够实现相干隧道效应的材料，因此可以高效率地注入自旋。当非磁性层102由金属构成时，可以使用Cu、Au、Ag等作为其材料。
另外，优选在第1铁磁性金属层101的非磁性层102的相反侧的面，如图4所示那样形成有覆盖层104。覆盖层104能够抑制来自第1铁磁性金属层101的元素的扩散。另外，覆盖层104还有助于磁阻效应元件部105的各层的结晶取向性。其结果，通过设置覆盖层104，能够使磁阻效应元件部105的第2铁磁性金属层103及第1铁磁性金属层101的磁性稳定化，并使磁阻效应元件部105低电阻化。
对于覆盖层104，优选使用具有高导电性的材料。例如，可以使用Ru、Ta、Cu、Ag、Au、Mg、Al等。覆盖层104的晶体结构应根据相邻铁磁性金属层的晶体结构从面心立方(fcc)结构、六方密堆积(hcp)结构或体心立方(bcc)结构中适当设定。
另外，优选覆盖层104使用选自Ag、Cu、Mg以及Al中的任一种。如下文详细描述的，在经由覆盖层104连接自旋轨道转矩配线120和磁阻效应元件部105的情况下，优选覆盖层104不会消散从自旋轨道转矩配线120传播的自旋。已知银、铜、镁以及铝等的自旋扩散长度为100nm以上，自旋难以消散。
覆盖层104的厚度优选为构成覆盖层104的物质的自旋扩散长度以下。如果覆盖层104的厚度为自旋扩散长度以下，则能够将从自旋轨道转矩配线120传播的自旋充分传至磁阻效应元件部105。
<基板>
基板110优选平坦性优异。为了得到平坦性优异的表面，作为材料，例如能够使用Si、AlTiC等。
也可以在基板110的磁阻效应元件部105侧的面上形成基底层(省略图示)。当设置基底层时，能够控制包含层叠于基板110上的第2铁磁性金属层103的各层的结晶取向性、结晶粒径等的结晶性。
基底层优选具有绝缘性。是为了不消散流通于配线130等的电流。基底层能够使用各种层。例如作为一例，基底层能够使用具有(001)取向的NaCl结构，且含有选自Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中的至少一种元素的氮化物的层。
作为其它例子，基底层能够使用以XYO3的组成式表示的(002)取向的钙钛矿系导电性氧化物的层。在此，位点X包含选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中的至少一种元素，位点Y包含选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中的至少一种元素。
作为其它例子，基底层能够使用具有(001)取向的NaCl结构，且包含选自Mg、Al、Ce中的至少一种元素的氧化物的层。
作为其它例子，基底层能够使用具有(001)取向的正方晶结构或立方晶结构，且包含选自Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中的至少一种元素的层。
此外，基底层不限于一层，也可以将上述例子的多层层叠。通过设计基底层的结构，能够提高磁阻效应元件部105的各层的结晶性，并改善磁特性。
<配线>
配线130电连接到磁阻效应元件部105的第2铁磁性金属层103，并且在图4中，配线130与自旋轨道转矩配线120、电源(省略图示)构成闭合回路，在磁阻效应元件部105的层叠方向流通电流。
配线130不受特别限制，只要是具有高导电性的材料即可。例如，可以使用铝、银、铜、金等。
在上述实施方式中，例如，可以举出所谓的底钉扎(bottom pin)结构，即在磁阻效应元件100中，层叠在后且配置于距基板110较远侧的第1铁磁性金属层101设为磁化自由层，层叠在前且配置于距基板较近侧的第2铁磁性金属层103设为磁化固定层(针层)的结构，但磁阻效应元件100的结构没有特别限定，也可以是顶钉扎(top pin)结构。
<电源>
磁阻效应元件100还具备：电流在磁阻效应元件部105的层叠方向上流通的第1电源140、以及电流在自旋轨道转矩配线120流通的第2电源150。
第1电源140连接到配线130和自旋轨道转矩配线120。第1电源140可以控制在磁阻效应元件100的层叠方向上流通的电流。
第2电源150连接到自旋轨道转矩配线120的两端。第2电源150可以控制流过自旋轨道转矩配线120的电流，该电流是在与磁阻效应元件部105的层叠方向垂直的方向上流通的电流。
如上述，按照磁阻效应元件部105的层叠方向流通的电流诱发STT。与之相对，流通于自旋轨道转矩配线120的电流诱发SOT。STT及SOT均有助于第1铁磁性金属层101的磁化反转。
这样，通过利用两个电源控制按照磁阻效应元件部105的层叠方向和与该层叠方向垂直的方向流通的电流量，能够自由地控制SOT和STT相对于磁化反转进行贡献的贡献率。
例如，在不能向器件流通大电流的情况下，能够以相对于磁化反转的能量效率较高的STT成为主要的方式进行控制。即，能够增加从第1电源140流通的电流量，且减少从第2电源150流通的电流量。
此外，例如在需要制作较薄的器件，且不得不减薄非磁性层102的厚度的情况下，要求减少向非磁性层102流通的电流。在该情况下，能够减少从第1电源140流通的电流量，增大从第2电源150流通的电流量，且提高SOT的贡献率。
作为第1电源140和第2电源150，可以使用公知的电源。
如上所述，根据在并用STT方式和SOT方式结构的情况下的磁阻效应元件，STT和SOT的贡献率可以通过从第1电源和第2电源供给的电流量来自由控制。因此，STT和SOT的贡献率可以根据器件所需的性能自由地控制，并且它可以用作更通用的磁阻效应元件。
(制造方法)
本发明的自旋流磁化反转元件及具备其的磁阻效应元件的制造方法没有特别的限制，可以采用已知的成膜法。关于成膜法，例如，作为物理气相沉积(PVD)方法，可以采用电阻加热蒸镀、电子束蒸镀、分子束外延(MBE)法、离子镀法、离子束沉积法、溅射法等。或者，作为化学气相沉积(CVD)法，可以采用热CVD法、光CVD法、等离子体CVD法、有机金属气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)法等。以下，对适用自旋流磁化反转元件的磁阻效应元件的制造方法的一个例子进行说明，由此，也兼而说明自旋流磁化反转元件的制造方法。
首先，在作为支撑体的基板上产生自旋轨道转矩配线。例如，使用溅射法依次成膜自旋生成层、自旋传导层。接着，使用光刻法等的技术，将自旋轨道转矩配线加工成规定的形状。
而且，自旋轨道转矩配线以外的部分利用氧化膜等的绝缘膜覆盖。或者，自旋轨道转矩配线的表面可以被氧化或氮化，并且自旋轨道转矩配线的表面可以是绝缘层或高电阻层。在这种情况下，以至少覆盖高电阻化的自旋轨道转矩配线的表面的方式覆盖有氧化膜等的绝缘膜。自旋轨道转矩配线及绝缘膜的露出面优选通过化学机械研磨(CMP)进行研磨。
接着，制作磁阻效应元件。磁阻效应元件能够使用溅射法进行制作。在磁阻效应元件为TMR元件的情况下，例如，在第1铁磁性金属层上首先溅射成为0.4～2.0nm程度的镁、铝、及多个非磁性元素的二价阳离子的金属薄膜，通过等离子氧化或氧导入进行自然氧化，然后通过热处理而形成。
得到的层叠膜优选进行退火处理。通过反应性溅射形成的层为非晶，需要进行结晶化。例如，在使用Co-Fe-B作为铁磁性金属层的情况下，B的一部分通过退火处理进行脱落而结晶化。
进行退火处理而制造的磁阻效应元件与未退火处理而制造的磁阻效应元件相比，磁阻比提高。认为是由于，通过退火处理，非磁性层的隧道势垒层的结晶尺寸的均匀性及取向性提高。
作为退火处理，优选在Ar等的惰性气氛中，以300℃以上500℃以下的温度加热5分钟以上100分钟以下的时间后，在施加了2kOe以上10kOe以下的磁场的状态下，以100℃以上500℃以下的温度加热1小时以上10小时以下的时间。
作为将磁阻效应元件设为规定的形状的方法，能够利用光刻法等的加工方法。首先，层叠磁阻效应元件后，在磁阻效应元件的自旋轨道转矩配线的相反侧的面上涂布抗蚀剂。而且，将规定的部分的抗蚀剂进行固化，除去不要部分的抗蚀剂。抗蚀剂进行了固化的部分成为磁阻效应元件的保护膜。抗蚀剂进行了固化的部分与最终得到的磁阻效应元件的形状一致。
然后，对形成有保护膜的面实施离子研磨、反应性离子蚀刻(RIE)等的处理。未形成保护膜的部分被除去，得到规定的形状的磁阻效应元件。
本发明未必限定于上述实施方式的自旋流磁化反转元件的结构及制造方法，能够在不脱离本发明宗旨的范围内施加各种变更。
(磁存储器)
本发明的磁存储器(MRAM)具备多个本发明的磁阻效应元件。
(磁化反转方法)
磁化反转方法在本发明的磁阻效应元件中，流通于自旋轨道转矩配线的电流密度设为低于1×107A/cm2。流通于自旋轨道转矩配线的电流的电流密度过大时，由于流通于自旋轨道转矩配线的电流而产生热。热施加于第2铁磁性金属层时，失去第2铁磁性金属层的磁化的稳定性，且有时产生预想外的磁化反转等。当产生这种预想外的磁化反转时，产生记录的信息被更新的问题。即，为了避免预想外的磁化反转，优选流通于自旋轨道转矩配线的电流的电流密度不会过大。如果流通于自旋轨道转矩配线的电流的电流密度低于1×107A/cm2，则至少能够避免由于产生的热而产生磁化反转。
磁化反转方法在本发明的磁阻效应元件中，在并用STT方式和SOT方式结构的情况下，也可以在对自旋轨道转矩配线的电源施加电流后，对磁阻效应元件的电源施加电流。
SOT磁化反转工序和STT磁化反转工序也可以同时进行，也可以在预先进行SOT磁化反转工序后，再进行STT磁化反转工序。也可以从第1电源140和第2电源150同时供给电流，也可以从第2电源150供给电流后，再从第1电源140供给电流，但为了更可靠地得到利用了SOT的磁化反转的辅助效果，优选在对自旋轨道转矩配线的电源施加电流后，对磁阻效应元件的电源施加电流。即，优选在从第2电源150供给电流后，再从第1电源140供给电流。

Claims (11)

1.一种自旋流磁化反转元件，其特征在于，
具备：
第1铁磁性金属层，其磁化方向变化；以及
自旋轨道转矩配线，其沿着相对于作为所述第1铁磁性金属层的法线方向的第1方向交叉的第2方向延伸，且与所述第1铁磁性金属层接合，
所述自旋轨道转矩配线具有与所述第1铁磁性金属层接合的自旋传导层、和与所述自旋传导层接合且与所述第1铁磁性金属层的相反侧的面接合的自旋生成层层叠而成的结构。
2.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，所述自旋传导层的膜厚度t1与所述自旋生成层的膜厚度t2的比率t1/t2设计为成为所述自旋传导层的电阻率ρ1与所述自旋生成层的电阻率ρ2的比率ρ1/ρ2以下。
3.如权利要求1或2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，所述自旋传导层由包含Al、Si、Cu、Ag、GaAs、Ge中的至少任一种元素的材料构成。
4.如权利要求1或2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，所述自旋传导层是具有空间群Pm-3m的对称性的NiAl、RuAl、RhAl、IrAl、TiNi，或者具有空间群Fm-3m的对称性的AlN、TaN、YBi、TiC、TiN的任一种的立方晶结构。
5.如权利要求1～4中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
所述自旋生成层由包含Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Bi中的任意元素的材料构成。
6.如权利要求1～5中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
所述自旋传导层的厚度为所述自旋传导层具有的自旋扩散长度以下的厚度。
7.如权利要求1～6中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
所述自旋传导层和所述第1铁磁性金属层的晶格失配度在5％以内。
8.如权利要求1～7中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
所述自旋轨道转矩配线的厚度为20nm以下。
9.如权利要求1～8中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于，
在所述自旋轨道转矩配线的两端具有低电阻电极，
所述低电阻电极和所述第1铁磁性金属层的相对的侧面之间的距离为所述自旋传导层的自旋扩散长度以下。
10.一种磁阻效应元件，其特征在于，
具备：权利要求1～9中任一项所述的自旋流磁化反转元件、磁化的方向被固定的第2铁磁性金属层、及被所述第1铁磁性金属层和所述第2铁磁性金属层夹持的非磁性体层。
11.一种磁存储器，其特征在于，
具备多个权利要求10所述的磁阻效应元件。
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